מסכים אלקטרומגנטיים נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה. הם משמשים לביטול ההשפעות המזיקות של אלמנטים מסוימים של מכשיר חשמלי על אחרים, כדי להגן על כוח אדם וציוד מהשפעות של שדות חיצוניים המתרחשים במהלך פעולתם של מכשירים אחרים. "כיבוי" השדה המגנטי החיצוני הכרחי ביצירת מעבדות המיועדות להתאמה ובדיקה של ציוד רגיש במיוחד. זה נדרש גם ברפואה ובאותם תחומי מדע שבהם מתבצעת מדידת שדות עם אינדוקציה נמוכה במיוחד; כדי להגן על מידע במהלך שידורו בכבלים.
שיטות
מיגון שדה מגנטי הוא סדרה של דרכים להפחית את החוזק של שדה קבוע או מתחלף באזור מסוים במרחב. שדה מגנטי, בניגוד לשדה חשמלי, לא יכול להיחלש לחלוטין.
בתעשייה, שדות תועים משנאים, מגנטים קבועים, מתקנים ומעגלים עם זרם גבוה הם בעלי ההשפעה הסביבתית הגדולה ביותר. הם יכולים לשבש לחלוטין את הפעולה הרגילה של מכשירי חשמל שכנים.
הרוב בשימוש 2שיטת הגנה:
- השימוש במסכים העשויים מחומרים מוליכים-על או פרומגנטיים. זה יעיל בנוכחות שדה מגנטי קבוע או נמוך בתדר.
- שיטת פיצוי (שיכוך זרם מערבולת). זרמי מערבולת הם זרמים חשמליים בתפזורת המתרחשים במוליך כאשר השטף המגנטי משתנה. שיטה זו מציגה את התוצאות הטובות ביותר עבור שדות בתדירות גבוהה.
עקרונות
עקרונות המיגון על השדה המגנטי מבוססים על דפוסי ההתפשטות של השדה המגנטי בחלל. בהתאם, עבור כל אחת מהשיטות המפורטות לעיל, הן כדלקמן:
- אם תציבו משרן במארז העשוי מפרומגנט, אזי יעברו קווי ההשראה של השדה המגנטי החיצוני לאורך דפנות מסך המגן, שכן יש לו פחות התנגדות מגנטית בהשוואה לחלל שבתוכו.. קווי הכוח הללו המושרים על ידי הסליל עצמו יהיו גם כמעט כולם סגורים לקירות המעטפת. לקבלת ההגנה הטובה ביותר במקרה זה, יש צורך לבחור חומרים פרומגנטיים בעלי חדירות מגנטית גבוהה. בפועל, לרוב משתמשים בסגסוגות ברזל. על מנת להגביר את האמינות של המסך, הוא עשוי בעל דופן עבה או טרומי ממספר מארזים. החסרונות של עיצוב זה הם משקלו הרב, נפחו והידרדרות המיגון בנוכחות תפרים וחתכים בקירות המעטפת.
- בשיטה השנייה, היחלשות השדה המגנטי החיצונימתרחשת כתוצאה מהטלת שדה אחר עליו, המושרה על ידי זרמי מערבולת טבעת. הכיוון שלו מנוגד לקווי האינדוקציה של השדה הראשון. ככל שהתדירות עולה, ההנחתה תהיה בולטת יותר. במקרה זה, לוחות בצורת טבעת של מוליכים עם התנגדות נמוכה משמשים למיגון. תיבות בצורת גליל עשויות נחושת או אלומיניום משמשות לרוב כמארזי מסך.
תכונות עיקריות
יש 3 מאפיינים עיקריים לתיאור תהליך המיגון:
- עומק חדירת שדה מגנטי שווה ערך. אז בואו נמשיך. נתון זה משמש להשפעת ההקרנה של זרמי מערבולת. ככל שהערך שלו קטן יותר, כך הזרם הזורם בשכבות פני השטח של מעטפת המגן גבוה יותר. בהתאם לכך, ככל שהשדה המגנטי המושרה ממנו גדול יותר, שעוקר את החיצוני. העומק המקביל נקבע על ידי הנוסחה שלהלן. בנוסחה זו, ρ ו-Μr הם ההתנגדות והחדירות המגנטית היחסית של חומר המסך, בהתאמה (יחידות המדידה של הערך הראשון הן Ohm∙m); f הוא התדר של השדה, נמדד ב-MHz.
- יעילות מיגון e - היחס בין עוצמת השדה המגנטי בחלל הממוגן בהיעדר ובנוכחות של המגן. ערך זה הוא גבוה יותר, כך עובי המסך גדול יותר והחדירות המגנטית של החומר שלו. חדירות מגנטית היא אינדיקטור המאפיין כמה פעמים האינדוקציה בחומרשונה מזה בחלל ריק.
- הפחתת עוצמת השדה המגנטי וצפיפות זרם המערבולת בעומק x מפני השטח של מעטפת המגן. המחוון מחושב באמצעות הנוסחה שלהלן. כאן A0 הוא הערך על פני המסך, x0 הוא העומק שבו העוצמה או צפיפות הזרם יורדים פעם אחת.
עיצובי מסך
כיסויי מגן לסיכוך השדה המגנטי יכולים להתבצע בעיצובים שונים:
- גיליון ומסיבי;
- בצורת צינורות חלולים ומעטפים עם חתך גלילי או מלבני;
- חד-שכבתי ורב-שכבתי, עם מרווח אוויר.
מכיוון שחישוב מספר השכבות מסובך למדי, ערך זה נבחר לרוב מספרי עיון, על פי עקומות יעילות מיגון שהתקבלו בניסוי. מותר לבצע חתכים ותפרים בקופסאות רק לפי זרמי מערבולת. אחרת, אפקט המיגון יקטן.
בפועל, קשה להשיג מקדם מיגון גבוה, שכן תמיד יש צורך לבצע חורים לכניסת כבלים, אוורור ותחזוקה של מתקנים. עבור סלילים, מארזים ללא תפרים מיוצרים בשיטת שחול יריעות, והחלק התחתון של המסך הגלילי משמש ככיסוי הניתן להסרה.
בנוסף, כאשר האלמנטים המבניים באים במגע נוצרים סדקים עקב אי-סדירות פני השטח. כדי לחסל אותם, השתמשמהדקים או אטמים מכניים העשויים מחומרים מוליכים. הם זמינים בגדלים שונים ועם מאפיינים שונים.
זרמי מערבולת הם זרמים הרבה פחות במחזור, אבל הם מסוגלים למנוע חדירת שדה מגנטי דרך המסך. בנוכחות מספר רב של חורים במעטפת, הירידה במקדם המיגון מתרחשת על פי תלות לוגריתמית. הערך הקטן ביותר שלו נצפה עם חורים טכנולוגיים בגודל גדול. לכן, מומלץ לעצב מספר חורים קטנים ולא אחד גדול. אם יש צורך להשתמש בחורים סטנדרטיים (עבור כניסת כבלים וצרכים אחרים), אזי משתמשים במובילי גל טרנסנדנטליים.
בשדה מגנטוסטטי שנוצר על ידי זרמים חשמליים ישירים, תפקידו של המסך הוא להרחיק את קווי השדה. אלמנט המגן מותקן קרוב ככל האפשר למקור. הארקה אינה נדרשת. יעילות המיגון תלויה בחדירות המגנטית ובעובי חומר המגן. בתור האחרון, נעשה שימוש בפלדות, פרמלוי וסגסוגות מגנטיות בעלות חדירות מגנטית גבוהה.
סיכוך מסלולי הכבלים מתבצע בעיקר בשתי שיטות - שימוש בכבלים עם זוג מעוות מוגן או מוגן והנחת צינורות בקופסאות אלומיניום (או תוספות).
מסכים מוליכים-על
הפעולה של מסכים מגנטיים מוליכים מבוססת על אפקט מייסנר. תופעה זו מורכבת מהעובדה שגוף בשדה מגנטי נכנס למצב מוליך-על. במקביל, המגנטיהחדירות של המעטפת הופכת להיות שווה לאפס, כלומר, היא לא עוברת את השדה המגנטי. זה מתוגמל במלואו בנפח הגוף הנתון.
היתרון של אלמנטים כאלה הוא שהם הרבה יותר יעילים, הגנה מפני שדה מגנטי חיצוני לא תלויה בתדר, והשפעת הפיצוי יכולה להימשך זמן רב באופן שרירותי. עם זאת, בפועל, אפקט מייסנר אינו שלם, שכן במסכים אמיתיים העשויים מחומרים מוליכים יש תמיד אי-הומוגניות מבניות המובילות ללכידת שטף מגנטי. השפעה זו מהווה בעיה רצינית ליצירת מארזים על מנת להגן על השדה המגנטי. מקדם הנחתה של השדה המגנטי הוא גדול יותר, ככל שהטוהר הכימי של החומר גבוה יותר. בניסויים, הביצועים הטובים ביותר צוינו בעופרת.
חסרונות נוספים של חומרי מיגון שדה מגנטי-על מוליכים הם:
- עלות גבוהה;
- נוכחות של שדה מגנטי שיורי;
- הופעה של מצב מוליכות-על רק בטמפרטורות נמוכות;
- חוסר יכולת לתפקד בשדות מגנטיים גבוהים.
חומרים
לרוב, מסכי פלדת פחמן משמשים להגנה מפני שדה מגנטי, מכיוון שהם מתאימים מאוד לריתוך, הלחמה, זולים ומאופיינים בעמידות טובה בפני קורוזיה. בנוסף אליהם, חומרים כגון:
- רדיד אלומיניום טכני;
- סגסוגת מגנטית רכה של ברזל, אלומיניום וסיליקון (אלסיפר);
- copper;
- זכוכית מצופה מוליכה;
- zinc;
- שנאי פלדה;
- אימייל ולכות מוליכים;
- brass;
- בדים מתכתיים.
מבחינה מבנית, הם יכולים להיעשות בצורה של יריעות, רשתות ונייר כסף. חומרי יריעות מספקים הגנה טובה יותר, וחומרי רשת נוחים יותר להרכבה - ניתן לחבר אותם על ידי ריתוך נקודתי במרווחים של 10-15 מ מ. כדי להבטיח עמידות בפני קורוזיה, הרשתות מצוידות בלכה.
המלצות לבחירת חומרים
בבחירת חומר למסכי מגן, ההמלצות הבאות מונחות:
- בשדות חלשים משתמשים בסגסוגות בעלות חדירות מגנטית גבוהה. המתקדם ביותר מבחינה טכנולוגית הוא פרמלוי, שמתאים היטב ללחץ וחיתוך. חוזק השדה המגנטי הנדרש לדה-מגנטיזציה המלאה שלו, כמו גם ההתנגדות החשמלית, תלויים בעיקר באחוז הניקל. לפי כמות היסוד הזה, נבדלים פרמלווי דל ניקל (עד 50%) וניקל גבוה (עד 80%).
- כדי להפחית את הפסדי האנרגיה בשדה מגנטי מתחלף, מארזים ממוקמים ממוליך טוב או ממבודד.
- עבור תדר שדה של יותר מ-10 מגה-הרץ, ציפויי סרט כסף או נחושת בעובי של 0.1 מ"מ או יותר (מסכים עשויים מגטינאקים מצופים בנייר כסף וחומרי בידוד אחרים), כמו גם נחושת, אלומיניום ו פליז, נותן אפקט טוב. כדי להגן על נחושת מפני חמצון, היא מצופה בכסף.
- עוביהחומר תלוי בתדר f. ככל שה-f נמוך יותר, כך העובי חייב להיות גדול יותר כדי להשיג את אותו אפקט מיגון. בתדרים גבוהים, לייצור מארזים מכל חומר, מספיק עובי של 0.5-1.5 מ"מ.
- עבור שדות עם f גבוה, לא נעשה שימוש בפרומגנטים, מכיוון שהם בעלי עמידות גבוהה ומובילים לאובדן אנרגיה גדול. כמו כן, אין להשתמש בחומרים בעלי מוליכים גבוהים מלבד פלדה להגנה על שדות מגנטיים קבועים.
- להגנה על טווח f רחב, חומרים רב-שכבתיים (יריעות פלדה עם שכבת מתכת מוליכה גבוהה) הם הפתרון האופטימלי.
כללי הבחירה הכלליים הם כדלקמן:
- תדרים גבוהים הם חומרים מוליכים מאוד.
- תדרים נמוכים הם חומרים בעלי חדירות מגנטית גבוהה. הקרנה במקרה זה היא אחת המשימות הקשות ביותר, שכן היא הופכת את עיצוב מסך המגן לכבד ומסובך יותר.
קלטות נייר כסף
סרטי מיגון נייר משמשים למטרות הבאות:
- מגן הפרעות אלקטרומגנטיות בפס רחב. לרוב הם משמשים לדלתות וקירות של ארונות חשמל עם מכשירים, כמו גם ליצירת מסך סביב אלמנטים בודדים (סולנואידים, ממסרים) וכבלים.
- הסרת מטען סטטי המצטבר במכשירים המכילים מוליכים למחצה וצינורות קרניים קתודיות, וכן במכשירים המשמשים לקלט/פלט מידע מ-מחשב.
- כרכיב של מעגלי הארקה.
- כדי להפחית אינטראקציה אלקטרוסטטית בין פיתולי שנאי.
מבחינה מבנית, הם מבוססים על חומר דבק מוליך (שרף אקרילי) ונייר כסף (עם משטח גלי או חלק) העשויים מסוגי המתכת הבאים:
- aluminum;
- copper;
- נחושת משומרת (להלחמה והגנה טובה יותר נגד קורוזיה).
חומרי פולימרים
באותם מכשירים בהם נדרשת, לצד מיגון השדה המגנטי, הגנה מפני נזק מכני ובלימת זעזועים, נעשה שימוש בחומרים פולימריים. הם עשויים בצורת רפידות קצף פוליאוריטן מכוסות בסרט פוליאסטר, המבוססות על דבק אקרילי.
בייצור מוניטורים של גביש נוזלי, נעשה שימוש באטמים אקריליים מבד מוליך. בשכבת הדבק האקרילי נמצאת מטריצה מוליכה תלת מימדית העשויה מחלקיקים מוליכים. בשל האלסטיות שלו, חומר זה סופג ביעילות גם מתח מכני.
שיטת הפיצוי
העיקרון של שיטת מיגון הפיצוי הוא יצירה מלאכותית של שדה מגנטי המכוון מנוגד לשדה החיצוני. זה מושג בדרך כלל עם מערכת סליל הלמהולץ. הוא מורכב מ-2 סלילים דקים זהים הממוקמים בקואקסיאלית במרחק מהרדיוס שלהם. חשמל עובר דרכם. השדה המגנטי המושרה על ידי הסלילים הוא אחיד ביותר.
פחית מיגוןמיוצר גם על ידי פלזמה. תופעה זו נלקחת בחשבון בהתפלגות השדה המגנטי בחלל.
מיגון כבלים
הגנת שדה מגנטי חיונית בעת הנחת כבלים. זרמים חשמליים המושרים בהם יכולים להיגרם על ידי הכללת מכשירי חשמל ביתיים בחדר (מזגנים, מנורות פלורסנט, טלפונים), כמו גם מעליות במכרות. לגורמים אלו יש השפעה רבה במיוחד על מערכות תקשורת דיגיטליות הפועלות על פרוטוקולים בעלי פס תדרים רחב. זה נובע מההבדל הקטן בין עוצמת האות השימושי לרעש בחלק העליון של הספקטרום. בנוסף, האנרגיה האלקטרומגנטית הנפלטת ממערכות כבלים משפיעה לרעה על בריאותם של הצוות העובדים במקום.
דיבור צולב מתרחש בין זוגות של חוטים עקב נוכחות של צימוד קיבולי ואינדוקטיבי ביניהם. האנרגיה האלקטרומגנטית של הכבלים משתקפת גם בגלל חוסר ההומוגניות של עכבת הגל שלהם ונחלשת בצורה של הפסדי חום. כתוצאה מהנחתה, עוצמת האות בקצה הקווים הארוכים יורדת מאות פעמים.
כיום, נהוגות 3 שיטות לסיכוך מסלולי כבלים בתעשיית החשמל:
- השימוש בקופסאות מתכת בלבד (פלדה או אלומיניום) או התקנת תוספות מתכת בפלסטיק. ככל שתדירות השדה עולה, יכולת ההקרנה של האלומיניום פוחתת. החיסרון הוא גם העלות הגבוהה של הקופסאות. לריצות כבלים ארוכות ישהבעיה של הבטחת המגע החשמלי של אלמנטים בודדים והארקה שלהם כדי להבטיח את הפוטנציאל האפס של התיבה.
- השתמש בכבלים מסוככים. שיטה זו מספקת הגנה מקסימלית מכיוון שהמעטפת מקיפה את הכבל עצמו.
- השקעת מתכת בוואקום על תעלת ה-PVC. שיטה זו אינה יעילה בתדרים של עד 200 מגה-הרץ. "כיבוי" השדה המגנטי קטן פי עשרה בהשוואה להנחת הכבל בקופסאות מתכת בשל ההתנגדות הגבוהה.
סוגי כבלים
ישנם 2 סוגים של כבלים מסוככים:
- עם מסך משותף. הוא ממוקם סביב מוליכים תקועים לא מוגנים. החיסרון של כבלים כאלה הוא שיש הצלבה גדולה (פי 5-10 מזוגות מסוככים), במיוחד בין זוגות עם אותו גובה פיתול.
- כבלים עם זוגות מעוותים מסוככים. כל הזוגות ממוגנים בנפרד. בשל העלות הגבוהה יותר, הם משמשים לרוב ברשתות עם דרישות בטיחות מחמירות ובחדרים עם סביבה אלקטרומגנטית קשה. השימוש בכבלים כאלה בהנחת מקבילה מאפשר להקטין את המרחק ביניהם. זה מקטין עלויות בהשוואה לניתוב מפוצל.
כבל מסוכך מסוג Twisted-pair הוא זוג מוליכים מבודד (מספרם הוא בדרך כלל מ-2 עד 8). עיצוב זה מפחית דיבור.בין מוליכים. לזוגות לא ממוגנים אין דרישות הארקה, יש להם יותר גמישות, ממדים רוחביים קטנים יותר וקלות התקנה. הזוג הממוגן מספק הגנה מפני הפרעות אלקטרומגנטיות והעברת נתונים באיכות גבוהה ברשתות.
מערכות מידע משתמשות גם במיגון דו-שכבתי, המורכב מהגנה של זוגות מעוותים בצורת סרט או נייר כסף מתכתי פלסטיק, וצמת מתכת נפוצה. להגנה יעילה מפני השדה המגנטי, מערכות כבלים כאלה חייבות להיות מוארקות כהלכה.
